基于以太網(wǎng)的太赫茲成像系統(tǒng)電路設(shè)計

林定君，魯斌

（中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331）

太赫茲波是指電磁頻率在0.1～10 THz(波長在3 mm～30 μm)之間的電磁波，波段介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間。20 世紀(jì)80 年代中期以前，由于缺乏有效的產(chǎn)生方法和檢測手段,科學(xué)家對該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限。近年來超快激光技術(shù)的發(fā)展為太赫茲波脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源,使太赫茲輻射的研究蓬勃發(fā)展。由于太赫茲波的獨特性質(zhì),它在物理、生物、化學(xué)、生物制藥、材料科學(xué)和電子工程等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用[1]。

太赫茲人體安檢技術(shù)是利用太赫茲波對日常衣物材料（如棉、麻、化纖等）特殊的穿透性，并結(jié)合各種成像技術(shù)，就可以對人體隱匿物品進行檢測[2]。和目前的隱匿物探測技術(shù)相比，光學(xué)/紅外探測技術(shù)無法穿透衣物和包裹層探測隱匿違禁物；X 射線和CT探測系統(tǒng)具有很好的穿透性，但其高輻射會傷害人體；金屬安檢門無法對非金屬違禁物檢測，而且也無法定位；手持式金屬探測器無法檢測非金屬違禁物，而且檢測方式為接觸式，容易造成被檢人員的被侵犯感。被動式太赫茲技術(shù)，不能檢測人體生理特征細(xì)節(jié)，不侵犯被檢測人員的隱私，同時也能分辨非金屬違禁物和顯示違禁物的藏匿位置[3]。

由于大面陣太赫茲探測器實現(xiàn)難度很大，導(dǎo)致系統(tǒng)像元數(shù)有限，如果直接擴大光學(xué)視場則勢必降低系統(tǒng)的空間分辨率，系統(tǒng)很難同時滿足大視場和高分辨率的要求，必須通過掃描的方式以擴大視場[4-6]。針對這種情況，設(shè)計了一套基于Ethernet 通信，通過控制掃描機構(gòu)實現(xiàn)二維掃描，并可實現(xiàn)同步采集多通道探測器輸出信號的電路系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

被動太赫茲成像系統(tǒng)接收的輻射功率來自于兩部分：一是被測目標(biāo)自身的輻射，二是被測目標(biāo)對周圍環(huán)境輻射的反射。對人體攜帶隱匿物進行探測時，進入成像系統(tǒng)的主要能量來自于人體皮膚、衣物、隱匿物及其對環(huán)境輻射的反射，衣物材料通常對太赫茲輻射具有很高的透過率，而發(fā)射率及反射率均較低，人體皮膚對太赫茲輻射有較強的吸收率，因此發(fā)射率較高，反射率很低。因此無隱匿物存在的情況下，太赫茲成像系統(tǒng)接收的能量主要來自于人體皮膚的輻射[7]。當(dāng)有隱匿物存在時，特別是金屬隱匿物存在時，對環(huán)境的反射率發(fā)生改變，從而使得進入太赫茲成像系統(tǒng)的能量發(fā)生改變。利用有無隱匿物存在時進入系統(tǒng)的能量差異，即可對隱匿物進行探測,利用探測器接收太赫茲能量，利用電路系統(tǒng)將其量化從而實現(xiàn)對人體的成像探測。系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示，電路系統(tǒng)是連接系統(tǒng)主要部件（探測器、掃描系統(tǒng)等）與應(yīng)用軟件的橋梁，其主要作用是通過二維掃描擴大視場，確保系統(tǒng)可對人體進行逐點掃描，對檢測信號進行采集，并傳輸至PC 機（應(yīng)用軟件）進行后續(xù)的處理、顯示及保存等。

圖1 被動太赫茲成像系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)成像系統(tǒng)對電路系統(tǒng)的要求，電路系統(tǒng)的主要任務(wù)包括：1）探測器的信號采集與處理；2）二維掃描控制；3）與PC 機（應(yīng)用軟件）的指令以及數(shù)據(jù)傳輸；4）為系統(tǒng)其他部件提供電源。

經(jīng)過分析論證，選用FPGA作為控制器，掃描機構(gòu)控制方案采用FPGA 加電機驅(qū)動器的方式，即根據(jù)掃描行程要求，由FPGA產(chǎn)生相應(yīng)的時序控制信號，經(jīng)過電機驅(qū)動器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的驅(qū)動電流，驅(qū)動平移臺完成二維掃描。電子學(xué)系統(tǒng)與PC 機間的數(shù)據(jù)通信擬采用Ethernet接口[8-10]，電子學(xué)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 電路系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

項目系統(tǒng)總體方案設(shè)計中采用的探測器頻率為0.25 THz，該頻段探測器工作方式為外差式，受限于工藝水平，無法做到大規(guī)模像元集成，目前只能做到4像元的線列，為了實現(xiàn)系統(tǒng)3 m 處的視場能夠達(dá)到0.6 m×1.8 m的指標(biāo)，需要通過二維掃描方式來擴展視場范圍。系統(tǒng)中二維掃描控制采用兩個維度一快一慢同時進行掃描[2]，掃描行程如圖3所示。該系統(tǒng)通過無刷電機驅(qū)動掃描鏡在連續(xù)掃描方向來回擺動，通過步進電機驅(qū)動掃描鏡在步進掃描方向來回擺動，實現(xiàn)二維掃描。垂直方向進行快速掃描，水平方向進行慢速掃描，數(shù)據(jù)采集完成后再根據(jù)掃描行程進行圖像校正。

圖3 二維掃描行程

為保證3 m 處的視場能夠達(dá)到0.6 m×1.8 m，掃描鏡擺動的角度至少應(yīng)為7.5°×17°。掃描機構(gòu)在垂直方向采用曲柄連桿機構(gòu)，將電機的單向連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為掃描鏡的雙向擺動，提高垂直方向大視場下的掃描速度，避免電機頻繁啟停帶來的失步等問題；在水平步進方向采用閉環(huán)控制的步進電機或伺服電機，以實現(xiàn)高速平穩(wěn)的啟停。

由于系統(tǒng)針對的是人體的隱匿物檢測，一般測量范圍為200～400 K，溫度靈敏度優(yōu)于0.2 K，所以系統(tǒng)的動態(tài)范圍應(yīng)大于1 000，那么A/D 轉(zhuǎn)換器至少應(yīng)為10 位。但考慮到如測量熱水、高溫黑體等物體的特殊情況，系統(tǒng)應(yīng)能正常工作，A/D 轉(zhuǎn)化器應(yīng)有一定的余量，因此選用14 bit的A/D 轉(zhuǎn)換器。由于系統(tǒng)共用4元探測器，為便于后續(xù)擴展，選用8 通道A/D 轉(zhuǎn)換芯片。根據(jù)系統(tǒng)的二維掃描方案，連續(xù)掃描的平均速度為4.8 m/s，為保證空間的分辨率，實行過采樣，采樣的間隔應(yīng)小于5 mm，因此，每通道系統(tǒng)采樣率至少為960 sps。綜合考慮，系統(tǒng)選用AD 公司的AD7607 A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD7607是一款8通道14位A/D 轉(zhuǎn)換器，采樣率可達(dá)200 ksps，采用過采樣技術(shù)及數(shù)字濾波技術(shù)，可有效減小噪聲，內(nèi)置輸入鉗位保護電路、輸入緩沖器、抗混亂疊濾波器以及高精度參考電平。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率大約為3 Mbps，同時，為了更清晰地顯示隱匿物的位置，系統(tǒng)還需同步傳輸可見光圖像，圖像的幀頻最大為15 fps、每幀像素點個數(shù)為1 600×1 200、每個像素點數(shù)據(jù)格式為RGB565，因此圖像傳輸速率最大要求為16×1 600×1 200×15 bps=460.8 Mbps。所以主處理器FPGA 與PC 機的通信傳輸速率需求約為464 Mbps，因此該系統(tǒng)采用UDP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸[3]。

在系統(tǒng)中，以太網(wǎng)網(wǎng)卡選用VITESSE 公司的VSC8601 芯片，VSC8601 是一款用于局域網(wǎng)的低功耗吉比特以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片。它能夠支持半雙工或全雙工的10BASE-T、100BASE-TX 及1000BASE-T 的通信速度，遵循IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過標(biāo)準(zhǔn)5 類（cat5）的非屏蔽雙絞線（UTP）的傳輸距離超過140 m。VSC8601 典型的應(yīng)用框圖如圖4 所示，VSC8601 內(nèi)部功能框圖如圖5 所示。

圖4 VSC8601典型的應(yīng)用框圖

圖5 VSC8601內(nèi)部功能框圖

VSC8601 僅支持精簡吉比特介質(zhì)獨立接口（RGMII），用于MAC 和PHY 之間的通信，并不支持吉比特介質(zhì)獨立接口（GMII）。RGMII 采用4 位數(shù)據(jù)接口，工作時鐘為125 MHz，并且可以在時鐘上升沿和下降沿同時傳輸數(shù)據(jù)，因此，其傳輸速率可以達(dá)到1 000 Mbps。同時RGMII 可以兼容MII 所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式，支持傳輸速率為10/100/1 000 Mbps，對應(yīng)的時鐘分別為2.5/25/125 MHz。RGMII 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合IEEE 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

典型應(yīng)用電路如圖6 所示。

電源系統(tǒng)接收外部提供的24 V 電壓，并將其轉(zhuǎn)換為其他功能模塊所需的各種電壓，包括探測器正常工作所需的+12 V，驅(qū)動器工作所需的+24 V，模擬電路工作所需的+5 V、+12 V、-12 V，數(shù)字電路工作所需的+5 V、+3.3 V、+2.5 V、+1.2 V。電源部分原理框圖如圖7 所示。

圖7 電源原理框圖

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

FPGA 主要完成時鐘和復(fù)位產(chǎn)生、控制器與上位機通信、探測器信號采集處理、二維掃描機構(gòu)控制、可見光圖像獲取等功能，F(xiàn)PGA 代碼架構(gòu)如圖8 示。

圖8 FPGA代碼架構(gòu)

以太網(wǎng)控制模塊結(jié)構(gòu)包括發(fā)送模塊、控制模塊、接收模塊和RGMII 管理模塊。以太網(wǎng)MAC 和PHY的管理接口一般是MDIO，采用MII 接口，該系統(tǒng)中采用MII 子類型RGMII 接口。MII 接口控制PHY 芯片寄存器的讀寫，用于讀取PHY 的狀態(tài)和設(shè)置流控開關(guān)、工作模式等，一般默認(rèn)設(shè)置即可。

以太網(wǎng)組包結(jié)構(gòu)如圖9 所示，系統(tǒng)采用UDP/IP協(xié)議進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。接口轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為用戶數(shù)據(jù)，純粹的用戶數(shù)據(jù)是無法直接傳輸?shù)缴衔粰C的，以太網(wǎng)發(fā)送模塊在用戶數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上添加用戶頭、UDP 頭、IP 頭和以太網(wǎng)頭，然后按照電路要求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)和控制信號。

圖9 以太網(wǎng)組包結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)接收模塊與以太網(wǎng)發(fā)送模塊相反，將接收到的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)，然后去除以太網(wǎng)頭、IP 頭、UDP 頭和用戶頭，最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇涌谵D(zhuǎn)換模塊。

4 實驗結(jié)果

為了驗證太赫茲成像系統(tǒng)的隱匿物識別性能，采用4 種具有代表性的隱匿物，分別為陶瓷刀、瓶裝水、玩具槍和藥劑顆粒，如圖10 所示。

圖10 樣品示意圖

對采集到的太赫茲成像數(shù)據(jù)展開重構(gòu)，得到太赫茲圖像，然后，對圖像采用多種處理算法和目標(biāo)識別算法，處理后的成像[11-17]結(jié)果如圖11 所示，從圖中可以清晰地分辨攜帶的隱匿物。為了驗證系統(tǒng)的分辨率性能，對分辨率板進行成像測試，分辨率板從上到下間距大小分別為1.5 cm、2 cm、3 cm 的窗口縫隙，成像結(jié)果為對3 m 位置處人手持分辨率樣板所得的圖像并進行相應(yīng)的圖像處理，樣品以及成像結(jié)果如圖12 所示。結(jié)果可以清晰分辨出2 cm 的明暗相間的條紋，說明設(shè)計滿足系統(tǒng)要求。

圖11 樣品成像結(jié)果

圖12 分辨率板及成像結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計了一套基于以太網(wǎng)通信的應(yīng)用于被動太赫茲成像的電路系統(tǒng)，采用四像元250 GHz 的陣列探測器，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了對人體隱匿物的檢測，3 m 位置處成像分辨率達(dá)到2 cm，電路系統(tǒng)很好地滿足了成像系統(tǒng)的應(yīng)用需求。